Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами

За последние несколько лет в промышленности получила широкое распространение МОП-технология производства интегральных микросхем, обеспечивающая большую степень интеграции при производстве логических схем, чем биполярная технология. С ее помощью на одном кристалле большой интегральной схемы (БИС) удается разместить десятки тысяч МОП-транзисторов. Минимально достижимые размеры отдельных элементов современных БИС составляют примерно 1 мкм, и поэтому нет сомнений, что степень интеграции будет еще более увеличиваться с последующим уменьшением стоимости цифровых и аналоговых микросхем.
Характерными свойствами МОП-микросхем являются способность хранения заряда в узле в течение нескольких миллисекунд и возможность непрерывного и неразрушающего считывания заряда. Эти свойства естественны для МОП-микросхем и поэтому обеспечиваются без специальных затрат. Впервые они были использованы в динамических запоминающих устройствах с произвольной выборкой и в динамических логических устройствах (например, в динамических сдвиговых регистрах). Хранение заряда впервые применено для обработки аналоговых сигналов в сдвиговых регистрах на «пожарных цепочках». В этих устройствах аналоговый сигнал преобразуется в последовательность зарядовых пакетов, каждый из которых пропорционален выборочному значению аналогового входного сигнала. Зарядовые пакеты последовательно проходят через цепь МОП-конденсаторов; при этом заряд одного конденсатора другому передается с помощью МОП-ключей, управляемых внешним генератором импульсов. Заряды конденсаторов можно, не разрушая, считывать и суммировать с соответствующими весовыми коэффициентами, реализуя таким образом дискретный (дискретно-аналоговый) трансверсальный фильтр или фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр). Приборы с зарядовой связью (ПЗС), разработанные после «пожарных цепочек>, производят подобное преобразование аналогового сигнала, но обеспечивают большую степень интеграции при лучших характеристиках [8]. Детальное рассмотрение фильтров на базе ПЗС выходит за рамки этой книги, более полную информацию можно найти в [1, 8],
Недавно найден более привлекательный способ построения дискретных фильтров на МОП-структурах в виде активных фильтров с переключаемыми конденсаторами (switched capacitor filters, SC-фильтры) [9]. Такие фильтры относятся к рекурсивным фильтрам или к фильтрам с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры), поэтому подобно активным RC-фильтрам их применил эффективно, когда требуются высокая добротность и большая степень прямоугольности амплитудно-частотной характеристики. Кроме того, применение достаточно высокой частоты дискретизации (порядка 100 кГц и выше) позволяет снизить требования, предъявляемые к аналоговому преселектору, ограничивающему спектр входного сигнала для ослабления эффекта наложения спектров. Спектр следует ограничивать на частоте, равной половине частоты дискретизации, что можно достичь с помощью относительно простого активного RC-фильтра второго порядка. Это является одной из особенностей, которые во многих практических случаях делают SC-фильтры более предпочтительными, чем фильтры на базе ПЗС.
Кроме того, SC-фильтрам в полной мере присущи достоинства, обусловленные прецизионностью MOTT-технологии. Как будет показано далее, коэффициенты передаточной функции полностью определяются отношением емкостей и значением тактовой частоты, задаваемой с большой точностью кварцевым генератором. Известно, что отношение емкостей можно выдерживать с точностью около 0,3%, их значения при соответствующей схемотехнике могут быть очень малыми, примерно 0,5 пФ. Кроме того, МОП-конденсаторы близки к идеальным: для них характерны очень малые утечки и высокая температурная стабильность. Немаловажно, что прецизионные SC-фильтры могут производиться по такой же технологии, как запоминающие устройства типа КМОП и MOTT с каналом п-типа. При этом аналоговые и цифровые цепи можно размещать на одном кристалле, обеспечивая, таким образом, возможность иптег а ии целых систем на одном кристалле.



СКАЧАТЬ